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#Produkttrends
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Wärmerückgewinnung in Rechenzentren: Abwärme in eine wertvolle Energiequelle umwandeln
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Da künstliche Intelligenz, Hochleistungsrechner und zunehmende Serverdichten den Energiebedarf in die Höhe treiben, stehen Rechenzentren vor einer wachsenden Herausforderung: der Bewältigung der von der IT-Infrastruktur erzeugten Wärme.
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Was wäre aber, wenn diese Wärme zu einer wertvollen Energiequelle werden könnte? Mit der richtigen Kühlarchitektur, den richtigen Wärmetauschern und einer geeigneten Systemintegration können Rechenzentren einen Beitrag zur Gebäudeheizung, zu industriellen Prozessen und zu Fernwärmenetzen leisten.
Rechenzentren werden zu mehr als nur Energieverbrauchern
Rechenzentren gehören zu den energieintensivsten Komponenten der modernen digitalen Infrastruktur. Ein erheblicher Teil des von Servern und anderen IT-Geräten verbrauchten Stroms wird letztendlich in Wärme umgewandelt, die kontinuierlich abgeführt werden muss, um zuverlässige Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Die rasante Entwicklung von Cloud Computing, High-Performance-Computing (HPC) und künstlicher Intelligenz führt zu einer Zunahme sowohl der Rechenleistung als auch der Wärmedichte.
Ältere Rechenzentren arbeiteten typischerweise mit etwa 3–5 kW pro Rack. In den letzten Jahren sind Dichten von 15–30 kW pro Rack zunehmend üblich geworden, während fortschrittliche KI- und HPC-Anlagen 50–70 kW pro Rack überschreiten können.
Eine höhere Rechenleistung bedeutet daher nicht nur einen höheren Stromverbrauch, sondern auch mehr Wärmeenergie, die bewältigt werden muss.
Daraus ergibt sich eine wichtige Chance: Wärme sollte nicht mehr ausschließlich als Herausforderung für die Kühlung betrachtet werden, sondern auch als potenziell wertvolle Energiequelle.
Von Abwärme zu wiederverwendbarer Energie
Bislang wurden Kühlsysteme für Rechenzentren in erster Linie darauf ausgelegt, geeignete Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten und überschüssige Wärme an die Umgebung abzugeben.
Befinden sich jedoch geeignete Wärmeabnehmer in der Nähe, kann ein Teil dieser Energie zurückgewonnen und wiederverwendet werden für:
Raumheizung in Wohn- und Gewerbegebäuden
Warmwasserbereitung
Fernwärmenetze
Industrielle Prozesse
Lokale Energiesysteme
Dieser Ansatz ermöglicht es Rechenzentren, sich von reinen Stromverbrauchern zu potenziellen Lieferanten nützlicher Wärmeenergie zu entwickeln.
Die größte technische Herausforderung besteht nicht darin, ob Wärme verfügbar ist, sondern bei welcher Temperatur sie zurückgewonnen werden kann.
Je nach Kühltechnologie steht die zurückgewonnene Wärme möglicherweise bei relativ niedrigen Temperaturen zur Verfügung, oft bei etwa 40 °C oder darunter. Dies kann für die direkte Einbindung in herkömmliche Fernwärmenetze unzureichend sein.
Eine mögliche Systemkonfiguration ist:
Kühlkreislauf des Rechenzentrums → Wärmetauscher → Wärmepumpe → Sekundärheizkreis / Fernwärmenetz
Die Wärmepumpe erhöht die Temperatur auf das vom Verbraucher benötigte Niveau, während Wärmetauscher eine kontrollierte Energieübertragung zwischen hydraulisch getrennten Kreisläufen ermöglichen.
KI verändert die Kühltechnologie in Rechenzentren
Mit steigender Wärmedichte der Server entwickeln sich auch herkömmliche Kühlarchitekturen weiter.
Neben traditionellen CRAC- (Computer Room Air Conditioning) und CRAH-Systemen (Computer Room Air Handling) gewinnen Technologien zunehmend an Bedeutung, die darauf ausgelegt sind, Wärme näher an der Quelle abzuführen.
Dazu gehören:
Rear-Door-Wärmetauscher (RDHx)
Indirekte Flüssigkeitskühlung
Direct-to-Chip-Kühlung
Tauchkühlung
Der Übergang von überwiegend luftbasierten Kühlsystemen zu flüssigkeitsbasierten Lösungen ist besonders relevant für die Wärmerückgewinnung.
Wenn Wärme direkt an ein flüssiges Kühlmedium übertragen wird, kann sie effizienter transportiert und möglicherweise an anderer Stelle im System wiederverwendet werden.
Daher sollte die Kühlung von Rechenzentren zunehmend als Teil einer umfassenderen Energieinfrastruktur betrachtet werden und nicht als isolierter technischer Prozess.
Die Wärmekapazität allein reicht für die Systemauslegung nicht aus
Das Wissen, dass ein Rechenzentrum mehrere Megawatt Wärme erzeugt, reicht nicht aus, um ein effektives Wärmerückgewinnungssystem zu entwerfen.
Ingenieure müssen mehrere miteinander verbundene Parameter bewerten:
Verfügbare Wärmekapazität
Ein- und Austrittstemperaturen
Erforderliche Temperatur auf der Verbraucherseite
Durchflussmengen
Betriebsdrücke
Zulässige Druckverluste
Flüssigkeitseigenschaften
Lastschwankungen und Betriebsprofile
Anforderungen an Redundanz und Betriebssicherheit
Nur eine umfassende Analyse dieser Parameter ermöglicht es Ingenieuren, die geeignete Systemarchitektur zu bestimmen und die Wärmetauscher korrekt zu dimensionieren.
Das Ziel besteht nicht einfach darin, die maximale Wärmemenge zu übertragen, sondern unter realen Betriebsbedingungen eine zuverlässige thermische Leistung zu erzielen.
Wärmetauscher: Die Schnittstelle zwischen Energiesystemen
Für jedes Rechenzentrum haben die Zuverlässigkeit und der unterbrechungsfreie Betrieb der IT-Infrastruktur weiterhin höchste Priorität.
Die Wärmerückgewinnung darf das Kühlsystem keinesfalls beeinträchtigen.
Wärmetauscher spielen eine entscheidende Rolle, indem sie Wärmeenergie übertragen und gleichzeitig die hydraulische Trennung zwischen verschiedenen Kreisläufen aufrechterhalten.
Diese Trennung kann erforderlich sein zwischen:
dem Kühlkreislauf des Rechenzentrums und der Wärmepumpe
der Wärmepumpe und dem Wärmeverteilungssystem
dem Rechenzentrum und einem externen Energienetz
Jeder Kreislauf kann bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Durchflussraten betrieben werden und möglicherweise Flüssigkeiten mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften verwenden.
Aus diesem Grund sollten Wärmetauscher niemals allein auf der Grundlage ihrer Nennwärmeleistung ausgewählt werden.
Druckverlust: Ein entscheidender Faktor für die Betriebskosten
In Anlagen mit hoher Leistung ist der Druckverlust nicht nur ein hydraulischer Parameter. Er wirkt sich auch direkt auf die Betriebskosten aus.
Höhere Druckverluste erhöhen in der Regel den Pumpenbedarf und den Stromverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Systems hinweg.
Planer müssen daher drei eng miteinander verbundene Faktoren gegeneinander abwägen:
Wärmeübertragungsleistung ↔ Strömungsturbulenzen ↔ Druckverlust
Die Maximierung der Wärmeübertragung ohne Berücksichtigung des hydraulischen Widerstands kann zu einem unnötig hohen Energiebedarf der Pumpen führen.
Umgekehrt kann die um jeden Preis angestrebte Minimierung des Druckabfalls zu einer unzureichenden thermischen Leistung oder ungeeigneten Strömungsbedingungen führen.
Die effektivste Lösung ist ein Wärmetauscher, der so ausgelegt ist, dass er die erforderliche thermische Leistung innerhalb akzeptabler hydraulischer und betrieblicher Grenzen erbringt.
Dieses Prinzip gilt sowohl für herkömmliche HLK-Anwendungen als auch für moderne Wärmerückgewinnungssysteme in Rechenzentren.
Wo können Plattenwärmetauscher eingesetzt werden?
Für Flüssig-Flüssig-Anwendungen mit hoher Kapazität können gedichtete Plattenwärmetauscher eine effektive Lösung darstellen.
Aufgrund ihrer im Verhältnis zur Gerätegröße großen Wärmeübertragungsfläche eignen sie sich für Anwendungen mit relativ geringen Temperaturunterschieden zwischen den Kreisläufen.
Dies ist besonders wichtig bei der Rückgewinnung von Niedertemperaturwärme.
Ihre zerlegbare Bauweise erleichtert zudem die Inspektion und die mechanische Reinigung. Je nach Konfiguration und Betriebsanforderungen kann die Plattenanordnung an sich ändernde Systembedingungen angepasst werden.
Im HEXONIC-Portfolio kommt die JAG-Serie der Plattenwärmetauscher mit Dichtungen für Flüssig-Flüssig-Wärmeübertragungsanwendungen in Betracht, vorbehaltlich der technischen Parameter des jeweiligen Projekts.
Die endgültige Auswahl muss stets auf den tatsächlichen Betriebsbedingungen basieren, einschließlich Temperaturprofilen, Durchflussraten, Druckgrenzen und Fluideigenschaften.
Wärmepumpen und Wärmetauscher erfüllen unterschiedliche Funktionen
Bei Projekten zur Wärmerückgewinnung in Rechenzentren stehen oft die Wärmepumpen im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit.
Ihre Rolle ist von entscheidender Bedeutung: Sie erhöhen die Temperatur der zurückgewonnenen Wärmeenergie auf ein für die jeweilige Anwendung geeignetes Niveau.
Eine Wärmepumpe allein stellt jedoch noch kein vollständiges Wärmerückgewinnungssystem dar.
Die Energie muss zuverlässig zwischen der Wärmequelle, der Wärmepumpe und dem Endverbraucher übertragen werden.
Hier kommen Wärmetauscher ins Spiel.
Ein falsch dimensionierter Wärmetauscher kann eine größere Temperaturdifferenz erfordern oder übermäßige Druckverluste verursachen, was den Gesamtertrag des Systems mindert.
Bei der Optimierung der Wärmetauscherauswahl geht es daher nicht nur darum, die Anschaffungskosten für die Geräte zu minimieren.
Sie kann den Energieverbrauch und die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage beeinflussen.
Jenseits der PUE: Messung des Werts der Energierückgewinnung
Die Energieeffizienz von Rechenzentren wurde traditionell in erster Linie anhand der Power Usage Effectiveness (PUE) bewertet.
Die PUE bleibt zwar eine wichtige Kennzahl, beschreibt jedoch nicht vollständig, was mit der Energie geschieht, nachdem sie von der Anlage verbraucht wurde.
Eine umfassendere Bewertung kann außerdem Folgendes umfassen:
WUE – Water Usage Effectiveness (Wassernutzungseffizienz): misst den Wasserverbrauch im Verhältnis zum IT-Energieverbrauch.
ERF – Energy Reuse Factor (Energiewiederverwendungsfaktor): gibt den Anteil der gesamten Energie des Rechenzentrums an, der außerhalb der Anlage wiederverwendet wird.
Der ERF wirft eine wichtige Frage auf:
Wie viel der von einem Rechenzentrum verbrauchten Energie kann anschließend produktiv genutzt werden?
Zwei Anlagen mit ähnlichen PUE-Werten können erheblich unterschiedliche Gesamtenergieauswirkungen haben, wenn die eine die gesamte überschüssige Wärme ableitet, während die andere einen Teil dieser Energie an externe Verbraucher liefert.
Rechenzentren und die Zukunft der Fernwärme
Fernwärmenetze stellen eine der vielversprechendsten Verwendungsmöglichkeiten für die aus Rechenzentren zurückgewonnene Wärme dar.
Der Übergang zu Niedertemperatur-Heiznetzen schafft neue Möglichkeiten für die Einbindung von Niedertemperatur-Wärmeenergie.
Herkömmliche Fernwärmesysteme wurden oft mit relativ hohen Vorlauftemperaturen betrieben.
Fernwärmenetze der vierten Generation arbeiten in der Regel bei niedrigeren Temperaturen, oft bei etwa 60–70 °C, je nach Systemauslegung und Betriebsbedingungen.
Fernwärme- und -kältenetze der fünften Generation arbeiten bei noch niedrigeren Temperaturen und ermöglichen einen bidirektionalen Energieaustausch.
Diese Entwicklungen machen die Integration dezentraler Energiequellen zunehmend praktikabel, wie zum Beispiel:
Industrielle Abwärme
Geothermie
Großwärmepumpen
Wärmerückgewinnung aus Rechenzentren
Die Möglichkeit, diese Systeme effizient anzubinden, hängt stark von der geeigneten Wärmeübertragungstechnologie und der Gesamtauslegung des Systems ab.
Ein Beispiel aus der Praxis: 7,6 MW Wärmeenergie in Rozzano, Italien
Das Potenzial der Wärmerückgewinnung aus Rechenzentren wird durch ein Projekt veranschaulicht, das in Rozzano, Italien, von TIM Enterprise in Zusammenarbeit mit GETEC Italia entwickelt wurde.
Das Projekt bindet die zurückgewonnene Wärmeenergie in das lokale Fernwärmenetz ein.
Bei Nennleistung ist das System darauf ausgelegt, etwa 7,6 MW thermische Leistung zurückzugewinnen.
Darin enthalten sind etwa 2,3 MW aus der Wärmerückgewinnung von Wärmepumpen und 5,3 MW aus der Wärmerückgewinnung von Blockheizkraftwerken.
Das Projekt hat das Potenzial, mehr als 5.000 Haushalte mit Wärme zu versorgen, und könnte laut veröffentlichten Projektinformationen die CO₂-Emissionen um etwa 3.500 Tonnen pro Jahr senken.
Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass die Gesamtmenge von 7,6 MW auch die aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zurückgewonnene Wärme umfasst und nicht ausschließlich aus dem Kühlkreislauf des Rechenzentrums stammt.
Dennoch verdeutlicht das Projekt ein wichtiges Prinzip:
Rechenzentren können zu integrierten Bestandteilen der lokalen Energieinfrastruktur werden.
Die Wirtschaftlichkeitsanalyse beginnt bereits vor der Auswahl der Anlagen
Die technische Machbarkeit ist nur ein Teil eines erfolgreichen Wärmerückgewinnungsprojekts.
Investoren, Rechenzentrumsbetreiber, Energieunternehmen und Ingenieurteams müssen auch die wirtschaftlichen und betrieblichen Rahmenbedingungen berücksichtigen.
Zu den wichtigsten Fragen gehören:
Gibt es einen zuverlässigen Wärmeabnehmer in der Nähe?
Wie viel Wärmeenergie kann realistisch über das ganze Jahr hinweg wiederverwendet werden?
Bei welcher Temperatur steht die Wärme zur Verfügung?
Welche Temperatur benötigt der Endverbraucher?
Wie viel Strom verbrauchen die Wärmepumpe und die Umwälzpumpen?
Wie hoch sind die zu erwartenden Investitions- und Betriebskosten?
Lässt sich das System bei steigender Rechenzentrumskapazität erweitern?
Diese Fragen sollten bereits in den frühesten Planungsphasen geklärt werden.
Die nachträgliche Integration einer Wärmerückgewinnung in ein bestehendes Rechenzentrum kann deutlich komplexer und kostspieliger sein als die Einbindung in die ursprüngliche Kühl- und Energieinfrastruktur.
Vom Kostenfaktor zum Energie-Asset
Der steigende Energiebedarf von Rechenzentren wird oft in erster Linie als Herausforderung diskutiert.
Doch genau diese Entwicklung birgt auch eine Chance.
Mehr Rechenkapazität bedeutet in der Regel auch mehr verfügbare Wärmeenergie.
Mit geeigneter Infrastruktur, geeigneten Betriebsbedingungen und Verbrauchern in der Nähe kann ein Teil der Wärme, die sonst abgeführt würde, in das übergeordnete Energiesystem zurückgeführt werden.
Für Rechenzentrumsbetreiber kann die Wärmerückgewinnung Teil einer langfristigen Energiestrategie werden.
Für Fernwärmebetreiber kann sie eine zusätzliche lokale Wärmequelle darstellen.
Für Ingenieurteams bedeutet dies eine umfassendere Planungsverantwortung:
Es geht nicht mehr nur darum, die Kühlung des Rechenzentrums zu planen, sondern den gesamten Energiefluss zu optimieren – vom Server bis zum Endverbraucher.
HEXONIC: Wärmetauscher, die für reale Betriebsbedingungen ausgelegt sind
Es gibt keinen universellen Wärmetauscher, der für jede Rechenzentrumsanwendung geeignet ist.
Eine effektive Auswahl beginnt mit einem detaillierten Verständnis der tatsächlichen Systemanforderungen.
Bei HEXONIC werden Wärmetauscher entsprechend der thermischen Leistung, den Temperaturprofilen, den Durchflussraten, den Betriebsdrücken, den zulässigen Druckverlusten und den Eigenschaften der Wärmeübertragungsflüssigkeit ausgewählt und konfiguriert.
Je nach Anwendung kommen Plattenwärmetauscher mit Dichtungen, gelötete Plattenwärmetauscher oder Rohrbündelwärmetauscher in Betracht.
Für Flüssig-Flüssig-Kreisläufe mit hoher Kapazität bietet die JAG-Serie von HEXONIC konfigurierbare Plattenwärmetauscherlösungen, die auf spezifische thermische und hydraulische Anforderungen zugeschnitten sind.
Das Ziel besteht nicht lediglich darin, die Nennwärmeleistung zu erreichen, sondern ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeübertragungseffizienz, hydraulischer Leistung, Zuverlässigkeit und langfristigen Betriebskosten sicherzustellen.
Planen Sie ein Projekt zur Kühlung eines Rechenzentrums oder zur Wärmerückgewinnung?
Ganz gleich, ob Sie ein neues Rechenzentrum entwerfen, ein bestehendes Kühlsystem modernisieren oder Möglichkeiten zur Abwärmerückgewinnung prüfen – die Auswahl des richtigen Wärmetauschers ist ein wichtiger Bestandteil der gesamten Systemplanung.
Teilen Sie Ihre Betriebsparameter mit HEXONIC. Unser technisches Team hilft Ihnen gerne bei der Bewertung Ihrer Anwendung und der Ermittlung einer geeigneten Wärmetauscherkonfiguration für Ihr Projekt.
HEXONIC – Wärmetauscher. Entwickelt für effiziente Energieübertragung.
